DE10340520A1 - Process for the manufacture of gas turbine rotors with integral blading - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung. DOLLAR A In einem ersten Schritt werden Laufschaufelrohlinge hergestellt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt mindestens ein hergestellter Laufschaufelrohling an einen Rotorträger gefügt. In einem dritten Schritt wird der oder jede an den Rotorträger angefügte Laufschaufelrohling auf eine Sollform der oder jeder Laufschaufel bearbeitet, wobei darauffolgend in einem vierten Schritt eine Feinbearbeitung auf Endkonturen des Gasturbinenrotors mit integraler Beschaufelung erfolgt.The invention relates to a method for the production of gas turbine rotors with integral blading. DOLLAR A In a first step, blade blanks are made. Subsequently, in a second step, at least one manufactured blade blank is joined to a rotor carrier. In a third step, the or each rotor blade attached to the rotor carrier is machined to a desired shape of the or each blade, followed by fine machining to final contours of the gas turbine rotor with integral blading in a fourth step.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung.The The invention relates to a process for the production of gas turbine rotors with integral blading.
Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung bezeichnet man abhängig davon, ob ein im Querschnitt scheibenförmiger oder ein im Querschnitt ringförmiger Rotor bzw. Rotorträger vorhanden ist, als Blisk oder als Bling. Scheibenförmige Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung bezeichnet man als Blisk (Bladed Disk) und ringförmige Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung bezeichnet man als Bling (Bladed Ring).Gas turbine rotors with integral blading one designates depending on whether one in the cross section disc-shaped or a cross-sectionally annular Rotor or rotor carrier exists as a blisk or as a bling. Disc-shaped gas turbine rotors with integral blading is called Blisk (Bladed Disk) and annular gas turbine rotors with integral blading is called bling (bladed ring).
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung durch sogenanntes Fräsen aus dem Vollen herzustellen. Das Fräsen aus dem Vollen findet vor allem bei der Herstellung von relativ kleinen Gasturbinenrotoren Verwendung. So eignet sich das Fräsen aus dem Vollen insbesondere für die Serienfertigung von Blisks oder Blings mit relativ kleinen Titan-Schaufelblättern. Das Fräsen von Blisks oder Blings aus einer Nickellegierung ist wegen der schlechten Zerspanbarkeit des Werkstoffs problematisch.Out In the prior art it is known gas turbine rotors with integral Blade to produce by so-called milling from the solid. The milling From the full finds especially in the production of relative small gas turbine rotors use. So is the milling from the Full particular for mass production of blisks or blings with relatively small titanium blades. The mill Blisks or Blings made of a nickel alloy is because of the bad Machinability of the material problematic.
Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Herstellung von Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung ist das Anfügen von fertigen Laufschaufeln an den Rotorträger bzw. die Nabe durch ein geeignetes Fügeverfahren, zum Bespiel durch sogenanntes lineares Reibschweißen oder durch sogenanntes induktives Pressschweißen oder auch durch Diffusionsschweißen. Bei der Herstellung von relativ großen Gasturbinenrotoren bzw. von Gasturbinenrotoren mit relativ großen Schaufelblättern ist das Anfügen von fertigen Laufschaufeln an den Rotorträger wirtschaftlicher und kostengünstiger als das Fräsen aus dem Vollen.One another known from the prior art method for production of gas turbine rotors with integral blading is the addition of manufacture blades on the rotor carrier or the hub by a suitable joining method, For example by so-called linear friction welding or by so-called inductive pressure welding or by diffusion welding. at the production of relatively large Gas turbine rotors or gas turbine rotors with relatively large airfoils is the attachment from finished blades to the rotor carrier more economical and cheaper as the milling from the full.
Bei dem letztgenannten, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung werden fertige Laufschaufeln an den Rotorträger angefügt. Bei diesen fertigen Laufschaufeln handelt es sich insbesondere um Schmiedeteile, die hinsichtlich ihrer geometrischen Formge bung, insbesondere hinsichtlich ihrer Dicke, bereits an die Sollform der Laufschaufeln des Gasturbinenrotors angepasst sind. Dies bedeutet, dass nach dem Stand der Technik die an den Rotorträger angefügten, fertigen Laufschaufeln bereits weitgehend fertig bearbeitet sind. Nach dem Anfügen ist nach dem Stand der Technik lediglich eine Feinbearbeitung, nämlich eine Oberflächenbearbeitung, der fertigen Laufschaufeln erforderlich. Das Anfügen weitgehend fertig bearbeiteter Laufschaufeln an den Rotorträger erfordert eine aufwendige Adaption zwischen einem Schaufelfußansatz am Rotorträger und der fertigen Geometrie der Laufschaufel, um durch den Fügeprozess bedingte Positionsabweichungen ausgleichen zu können. Diese Adaption ist sehr aufwendig und verteuert damit die Herstellung von Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung. Weiterhin handelt es sich bei den weitgehend fertig bearbeiteten Laufschaufeln, die nach dem Stand der Technik an einen Rotorträger angefügt werden, um Bauteile, die in der Regel von externen Lieferanten teuer zugekauft werden müssen. Auch hierdurch wird die Herstellung von Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung teuer.at the latter method known from the prior art for the manufacture of gas turbine rotors with integral blading finished blades attached to the rotor arm. In these finished blades These are, in particular, forgings which, with regard to their geometric shape, in particular with regard to its thickness, already to the desired shape of the blades of the gas turbine rotor are adjusted. This means that according to the state of the art at the rotor carrier attached, finished blades are already largely finished. After attaching is according to the prior art, only a fine machining, namely a Surface treatment, the finished blades required. Attaching largely finished Blades to the rotor arm requires a complex adaptation between a Schaufelfußansatz on rotorarm and the finished geometry of the blade to go through the joining process to be able to compensate for conditional position deviations. This adaptation is very consuming and thus more expensive the production of gas turbine rotors with integral blading. Furthermore, it is with the largely finished machined blades, the state of the art be attached to a rotor carrier, to components that are usually purchased from external suppliers expensive Need to become. This also makes the production of gas turbine rotors with integral Blading expensive.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung vorzuschlagen.Of these, Based on the present invention, the problem underlying a novel process for the production of gas turbine rotors with to suggest integral blading.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.This Problem is solved by a method having the features of independent claim 1 solved.
Erfindungsgemäß werden in einem ersten Schritt Laufschaufelrohlinge hergestellt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt mindestens ein hergestellter Laufschaufelrohling an einen Rotorträger gefügt. In einem dritten Schritt wird der oder jede an den Rotorträger angefügte Laufschaufelrohling auf eine Sollform der oder jeder Laufschaufel bearbeitet, wobei darauffolgend in einem vierten Schritt eine Feinbearbeitung auf Endkonturen des Gasturbinenrotors mit integraler Beschaufelung erfolgt.According to the invention produced in a first step blade blanks. Subsequently, will in a second step at least one manufactured blade blank to a rotor carrier together. In a third step, the or each rotor blade attached to the rotor carrier on processing a desired shape of the or each blade, with the following in a fourth step, a finishing on final contours of the Gas turbine rotor with integral blading done.
Bei den Laufschaufelrohlingen handelt es sich um Laufschaufelrohlinge mit im Querschnitt vorzugsweise in etwa einheitlicher Dicke, die vorzugsweise aus Halbzeug hergestellt werden. Die eigentliche Formgebung, also die Anpassung der Laufschaufel rohlinge an die Sollform der Laufschaufeln, erfolgt erst nachdem die Laufschaufelrohlinge an den Rotorträger gefügt wurden. Auf die nach dem Stand der Technik erforderliche, aufwändige Adaption zwischen dem Schaufelfußansatz am Rotorträger und der fertigen Geometrie der Laufschaufeln kann verzichtet werden. Auch kann auf den Zukauf teuerer, weitgehend fertig bearbeiteter Laufschaufeln verzichtet werden. Die Herstellung von Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung ist hierdurch kostengünstiger möglich.at The blade blanks are blade blanks with in cross-section preferably in approximately uniform thickness, the preferably made of semi-finished products. The actual shaping, So the adjustment of the blade blanks to the desired shape of the Blades, takes place only after the blade blanks the rotor carrier together were. On the required according to the prior art, elaborate adaptation between the blade root on the rotor carrier and the finished geometry of the blades can be dispensed with. Also, on the purchase of expensive, largely finished Blades are dispensed with. The manufacture of gas turbine rotors with Integral blading is thereby cheaper possible.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, nachfolgend näher erläutert.preferred Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the description. embodiments The invention will be explained in more detail below, without being limited thereto.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung wird nachfolgend in größerem Detail beschrieben.The inventive method for manufacturing gas turbine rotors with integral blading will be explained in more detail below described.
In einem ersten Schritt werden Laufschaufelrohlinge hergestellt. Die Laufschaufelrohlinge werden vorzugsweise dadurch hergestellt, dass Rohlinge aus einem Halbzeug, nämlich aus einem blechförmigen oder bandförmigen Material von in etwa einheitlicher Dicke, herausgetrennt werden. Nach dem Heraustrennen werden diese Rohlinge von im Querschnitt in etwa einheitlicher Dicke gewölbt und anschließend verdreht. Das Wölben und Verdrehen kann auch gleichzeitig erfolgen. Durch das Wölben und Verdrehen der ursprünglich ebenen, aus dem blechförmigen oder bandförmigen Material herausgetrennten Rohlinge, werden Laufschaufelrohlinge bereitgestellt, die zwar einerseits über den Querschnitt über eine in etwa konstante Dicke verfügen, jedoch andererseits bereits eine gewünschte, räumliche bzw. dreidimensionale Ausrichtung, einen sogenannten räumlichen Twist aufweisen. Das Wölben sowie vorzugsweise anschließende Verdrehen der ursprünglich ebenen Rohlinge mit in etwa einheitlicher Dicke erfolgt vorzugsweise in einem Warmumformungsprozess. Bei der Warmumformung werden die Rohlinge vor dem Wölben und Verdrehen erwärmt. Hierdurch werden Spannungen im Laufschaufelrohling vermieden und es können Laufschaufelrohlinge mit höherwertigen Materialeigenschaften bereitgestellt werden.In In a first step, blade blanks are made. The Blade blanks are preferably made by: Blanks from a semi-finished product, namely from a sheet metal or band-shaped Material of approximately uniform thickness, to be cut out. After being cut out, these blanks are of cross section arched in approximately uniform thickness and subsequently twisted. The arching and twisting can also be done simultaneously. By arching and Twisting the original even, from the sheet-metal or band-shaped Material cut blanks, blade blanks are provided, on the one hand over the cross section over have an approximately constant thickness, but on the other hand already a desired, spatial or three-dimensional orientation, a so-called spatial Twist exhibit. The buckling as well preferably subsequent Twisting the original Flat blanks with approximately uniform thickness is preferably carried out in a hot forming process. In hot forming, the Blanks before arching and warmed up. As a result, stresses in the blade blank are avoided and it can Blade blanks with higher quality Material properties are provided.
Eine Alternative in der Herstellung der Laufschaufelrohlinge besteht darin, die Rohlinge aus einem bereits gewölbten Pressprofil, nämlich aus einem bereits gewölbten Strangpressprofil, welches eine in etwa einheitliche oder auch eine variable Dicke aufweist, herauszutrennen. Werden die Rohlinge aus einem bereits gewölbten Strangpressprofil herausgetrennt, so müssen dieselben nach dem Heraustrennen lediglich zur Bereitstellung des gewünschten räumlichen Twists noch verdreht werden. Das Verdrehen erfolgt wiederum vorzugsweise als Warmumformung zur Gewährleistung höherwertiger Materialeigenschaften der Laufschaufelrohlinge.A Alternative in the manufacture of the blade blanks consists in it, the blanks from an already arched pressing profile, namely from an already arched one Extruded profile, which is a roughly uniform or a variable thickness, to separate out. Be the blanks off an already arched one Extruded profile cut out, they must after separating out merely twisted to provide the desired spatial twist become. The twisting is again preferably carried out as hot forming to guarantee higher quality material properties the blade blanks.
Die auf die obige Art und Weise hergestellten Laufschaufelrohlinge mit dem gewünschten räumlichen Twist und einer vorzugsweise in etwa einheitlichen bzw. konstanten Dicke im Querschnitt werden darauftolgend in einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens an einen Rotorträger gefügt. Der Rotorträger kann als im Querschnitt scheibenförmiger oder als im Querschnitt ringförmiger Rotorträger ausgebildet sein. Bei der Verwendung eines im Querschnitt scheibenförmigen Rotorträgers ergibt sich ein sogenanntes Blisk, bei der Verwendung eines im Querschnitt ringförmigen Rotorträgers ergibt sich ein sogenannter Bling.The with the blade blanks manufactured in the above manner the desired one spatial Twist and one preferably approximately uniform or constant Thickness in cross-section will follow in a second step the method according to the invention to a rotor carrier together. The rotor carrier may be as in cross section disc-shaped or as in cross-section annular rotor carrier formed be. When using a disk-shaped in cross section rotor carrier results a so-called blisk, when using a cross section annular Rotor carrier results a so-called Bling.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Laufschaufelrohlinge sowie der Rotorträger vorzugsweise entweder aus einer Nickelbasislegierung oder einer Titanbasislegierung bestehen. Es können jedoch alle schweißbaren Werkstoffe, die heutzutage im Gasturbinenbau verwendet werden, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich demnach sowohl zur Herstellung von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren auf einer Nickelbasislegierung als auch zur Herstellung von Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung auf einer Titanbasislegierung oder auch Stahllegierung.At This point should be noted that the blade blanks as well as the rotor carrier preferably either a nickel-based alloy or a titanium-based alloy consist. It can however, all weldable Materials that are used in gas turbines today, with the method according to the invention to be edited. The inventive method is therefore suitable both for the manufacture of integrally bladed gas turbine rotors on a nickel-based alloy as well as for the production of gas turbine rotors with integral blading on a titanium base alloy or also steel alloy.
Das Fügen der Laufschaufelrohlinge an den Rotorträger erfolgt vorzugsweise über ein Schweißverfahren. Als Schweißverfahren kann das aus dem Stand der Technik bekannte, lineare Reibschweißen, das induktive Pressschweißen, das Diffusionsschweißen oder jedes sonstige bei der Bliskherstellung bislang verwendete Fügeverfahren zum Einsatz kommen.The Add the Blade blanks to the rotor carrier is preferably via a Welding process. As a welding process can the known from the prior art, linear friction welding, the inductive pressure welding, the diffusion welding or any other hitherto used in Bliskherstellung joining methods be used.
Nach dem Fügen der Laufschaufelrohlinge an den Rotorträger erfolgt die eigentliche Formgebung der Laufschaufelrohlinge auf eine gewünschte Sollform der Laufschaufeln des Gasturbinenrotors. Hierbei werden die Laufschaufelrohlinge mit im Querschnitt noch in etwa konstanter Dicke derart bearbeitet, dass Laufschaufeln mit an die Sollform derselben angepasster, im Querschnitt variierender Dicke bereitgestellt werden.To the joining the blade blanks to the rotor carrier is the actual Shaping the blade blanks to a desired desired shape of the blades of the gas turbine rotor. Here are the blade blanks with processed in cross section still approximately constant thickness such, that blades with adapted to the desired shape of the same, in Cross section of varying thickness can be provided.
Dies bedeutet, dass nach dieser Formgebung die Laufschaufeln in einem Randbereich oder einem Kantenbereich derselben eine andere Dicke aufweisen können als in einem mittleren Abschnitt. Die Laufschaufelrohlinge hingegen weisen durchgängig eine in etwa konstante Dicke auf. Der hierzu erforderliche Materialabtrag an den Laufschaufelrohlingen kann durch Fräsen oder elektrochemische Bearbeitung erfolgen.This means that after this shaping the blades in one Edge region or an edge region thereof have a different thickness can as in a middle section. The blade blanks, on the other hand show consistently an approximately constant thickness. The required material removal on the blade blanks can be made by milling or electrochemical machining respectively.
Im Anschluss an die Formgebung der Laufschaufelrohlinge auf die Sollform der Laufschaufeln erfolgt noch vorzugsweise eine Feinbearbeitung auf Endkonturen, wobei die Feinbearbeitung eine Oberflächenbearbeitung der Laufschaufeln ist. Bei dieser Oberflächenbearbeitung kann es sich zum Beispiel um Gleitschleifen, chemisch unterstütztes Gleitschleifen oder Druckfließläppen handeln. Anschließend kann noch eine Oberflächenbeschichtung der Laufschaufeloberflächen oder auch des gesamten, integral beschaufelten Rotors durchgeführt werden.in the Connection to the shaping of the blade blanks to the desired shape the blades are still preferably a fine machining on final contours, the fine machining a surface treatment the blades is. This surface treatment may be For example, to vibratory grinding, chemically assisted vibratory grinding or Druckfließläppen act. Subsequently can still have a surface coating the blade surfaces or even the entire integrally bladed rotor.
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung dadurch herzustellen, dass Laufschaufelrohlinge hergestellt werden, diese Laufschaufelrohlinge an einem Rotorträger durch ein geeignetes Fügeverfahren befestigt werden und erst im Anschluss an das Fügeverfahren die eigentliche Formgebung der Laufschaufelrohlinge auf die Sollform der Laufschaufeln erfolgt. Die Herstellung der Laufschaufelrohlinge erfolgt aus Halbzeug, insbesondere aus einem bandförmigen Blech oder aus einem Strangpressprofil, wobei die Laufschaufelrohlinge im Querschnitt über eine in etwa einheitliche Dicke verfügen. Derartige Laufschaufelrohlinge sind mit geringem Aufwand kostengünstig herstellbar. Erst nach dem Fügen der Laufschaufelrohlinge an den Rotorträger werden dieselben zum Beispiel durch Fräsen auf die Sollform der Laufschaufeln gebracht.It is therefore within the meaning of the present invention to produce gas turbine rotors with integral blading in that blade blanks are made, this blade blanks on a rotor carrier by a ge suitable joining method are attached and only after the joining process, the actual shaping of the blade blanks takes place on the desired shape of the blades. The production of the blade blanks takes place from semifinished product, in particular from a band-shaped sheet metal or from an extruded profile, wherein the blade blanks have an approximately uniform thickness in cross-section. Such blade blanks are inexpensive to produce with little effort. Only after joining the blade blanks to the rotor carrier are they brought to the desired shape of the blades, for example, by milling.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich gegenüber dem Stand der Technik zahlreiche Vorteile erzielen. So können die Herstellkosten für Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung merklich reduziert werden. Es ist nicht länger erforderlich, weitgehend fertig bearbeitete Laufschaufeln zuzukaufen oder Blisks aus dem Vollen mit erheblichem Zerspanungsaufwand herzustellen. Dies erhöht den Wertschöpfungsanteil beim Hersteller der integral beschaufelten Gasturbinenrotoren.aid of the method according to the invention opposite achieve many advantages in the prior art. So can the Production costs for Gas turbine rotors with integral blading noticeably reduced become. It is not longer required to purchase largely finished blades or Blisks from the solid with considerable Zerspanungsaufwand produce. This increases the added value share at the manufacturer of integrally bladed gas turbine rotors.
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